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面向高能物理应用的MTCA.4采集及控制平台

日期:2020年9月9日 14:21

 

面向高能物理应用的MTCA.4采集及控制平台

       目前在高能物理控制领域大量使用的是MTCA.4的平台,MTCA.4规范作为MTCA.0的子规范,最早的描述为“"xTCA for Physics”,当初制定这个规范的初衷就是定位在物理领域使用,这个规范最后的描述没有采用,正式规范发布时修正为“MicroTCA Enhancements for Rear I/O and Precision Timing”,重点明确了MTCA.4除了满足MTCA.0核心规范的特点外,突出了支持后I/O输入输出和紧密定时功能,而这两个功能又是在高能物理应用领域非常使实用,从2011年开始到现在通过近10年的发展,基于MTCA.4生态链越来越完善,高能物理领域新项目的实施和老项目的改造,MTCA.4平台得到了广泛的采用,以下就简绍的定时系统就是典型的应用案例,其它比如低电平控制,束流采集等应用也采用类似的方式,只是接口卡选择不用,如有需要可以和我们联系。

基于MTCA.4平台的定时系统:

在高能物理利于的控制系统使用的定时方法有三种,1. Micro-Research Finland的EVM和EVR方案;2.由CERN(European Organization for Nuclear Research)提出的white rabbite方案;3.专门针对MTCA.4设计的基于NAMC-psTimer的方案。第一个定时方案推出的时间比较长,有基于VME,PCI,CPCI总线的方案,技术相对成熟,系统相对独立,第二个方案目前在MTCA系统中没没有实施,一般是基于白兔子交换机方式实施,第三个方案设计之初就是针对MTCA.4系统进行设计,可以深度嵌入到MTCA.4各个子系统中,以下展开的方案就是基于NAMC-psTimer实现系统的定时。

基于NAMC-psTimerMTCA定时系统

主要组成单元:

1.机箱采用Native-R9Native-R2机箱

        Native-R9:9U高19吋上架MTCA.4机箱

- 支持12 个double mid-size AMC插槽

- 支持2 冗余MCH插槽

- 支持4 冗余电源插槽

- 支持12 double mid-size RTM插槽

    

      

                                                                             Native-R9背板拓扑图

    Native-R2:2U高19吋上架MTCA.4机箱

    - 支持5 个double mid-size AMC插槽;1个double full-size AMC插槽

    - 支持1MCH插槽

    - 支持1电源插槽

    - 支持5个double mid-size RTM插槽;1个double full-size RTM插槽

                             

   

  2.电源采用NAT-PM-AC1000NAT-PM-600D:double full size交流输入电源

            

   3.交换卡采用:NAT-MCH-PHYS80:提供common port千兆以太网交换,fat pipe的PCIe交换,提供时钟分发和机架管理功能。

                                   

   4.CPU卡采用:AMG64:double mid-size 处理器卡

 处理器:intel xeon E3-1505M V6

 处理器主频:3.0GHz

 内存:32G DDR4 ECC DRAM

 接口:双万兆SFP以太网接口,串口,SSDDVI显示接口

                                

  5.定时卡采用:NAMC-psTimer:这款板卡是专门为大型系统的定时功能而设计的,已经使用在欧洲XFEL只有激光电子项目中成功使用,它可以组网使用,也可以单独使用,工作参数通过软件编程,在整个定时大网中的触发信号抖动可以控制在10ps内。

l可以通过编程实现发送或者接受功能

l可以通过AMC卡的TCLKA 和TCLKB发送时钟

l可在Port 17 – 20端口上提供M-LVDS触发,门限,时钟和调制数据信号

l前面板提供3RJ45 输出,其中2个RJ45触发接口,1个RJ45的LVDS精密时钟信号

l出发点: 0 .. 160ms 延时, 1ns 精度

l触发宽度: 0 .. 160ms, 10ns精度

l多达255 事件触发

l精密时钟: 2.5 .. 650MHz

l可选后传输卡RTM额外再提供9个触发信号

l可选后传输卡RTM额外再提供9个光纤零链路

l时钟和触发的抖动: ~10ps RMS

l通过增加子模块单元,提供3个通道的触发补偿功能

                                                    

                                                               欧洲XFEL只有激光电子项目定时系统

NAMC-psTimer软件架构:

                                                   

           基于DESYs DOOCS环境进行开发,运行在AMG64X86 linux环境下,本系统使用NAMC-psTimer卡时钟为系统提供时钟,具体如下:

                            1.通过AMC卡上的TCLKA/TCLKB作为MCH的时钟源,将始终发往机箱内的其它AMC卡上

                            2.通过Port 17-20实现机箱内AMC卡的触发,互锁功能

                            3.一般控制数据通过千兆以太网进行交换

                            4.大带宽数据通过PCIe进项交换

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